腸道菌群與膿毒癥相互關(guān)系的研究進(jìn)展

張 悅, 王玉瑩, 羅海燕, 廖紅伍, 周克兵, 顏 波, 陽(yáng)學(xué)風(fēng)

張悅, 王玉瑩, 周克兵, 陽(yáng)學(xué)風(fēng), 南華大學(xué)衡陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬南華醫(yī)院消化內(nèi)科 湖南省衡陽(yáng)市 421002

張悅, 王玉瑩, 周克兵, 陽(yáng)學(xué)風(fēng), 南華大學(xué)衡陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬南華醫(yī)院全科醫(yī)療科 湖南省衡陽(yáng)市 421002

羅海燕, 廖紅伍, 南華大學(xué)衡陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬南華醫(yī)院 湖南省衡陽(yáng)市 421002

張悅, 王玉瑩, 上海市普陀區(qū)人民醫(yī)院急診科 上海市普陀區(qū) 200060

顏波, 南華大學(xué)衡陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科 湖南省衡陽(yáng)市 421001

張悅, 研究生, 研究方向主要為膿毒癥基礎(chǔ)與臨床研究.

0 引言

膿毒癥(sepsis)是由感染引起的全身炎性反應(yīng)綜合征. 2017年, 全球約有4890多萬(wàn)人因感染而發(fā)生膿毒癥, 病死率高達(dá)17.9%, 是現(xiàn)今重癥醫(yī)學(xué)科亟待解決的難題之一, 嚴(yán)重威脅著患者的生命安全. 由于發(fā)病率及病死率高, 2017年世界衛(wèi)生組織(World Health Organization, WHO)將膿毒癥列為一個(gè)全球性的公共衛(wèi)生問(wèn)題. 最近的證據(jù)表明, 膿毒癥發(fā)生、發(fā)展與腸道微生態(tài)紊亂關(guān)系密切. 一方面, 腸道微生態(tài)紊亂可以增強(qiáng)膿毒癥的易感性. 腸道細(xì)菌在某些條件下可通過(guò)腸黏膜直接侵入外周血, 或經(jīng)“腸-器官”軸進(jìn)入遠(yuǎn)隔器官, 形成細(xì)菌移位, 誘發(fā)全身炎性反應(yīng)、膿毒癥, 病情進(jìn)一步發(fā)展可導(dǎo)致機(jī)體器官功能障礙, 甚至引起膿毒性休克而危及生命. 另一方面, 膿毒癥又可導(dǎo)致人體腸道微環(huán)境發(fā)生改變, 引起腸道菌群失調(diào), 誘導(dǎo)炎性因子分泌, 致使腸道黏膜屏障受損, 進(jìn)一步加重病情. 本文通過(guò)探討腸道菌群和膿毒癥之間的相互關(guān)系, 為膿毒癥臨床干預(yù)提供思路.

1 腸道菌群及腸黏膜屏障功能

1.1 腸道菌群與菌群失調(diào) 人體腸道是微生物寄居的主要場(chǎng)所, 含有最龐大的微生物群, 包含細(xì)菌、真菌等多種微生物. 過(guò)去, 關(guān)于人腸道微生物群的大多數(shù)知識(shí)來(lái)自于勞動(dòng)密集型的培養(yǎng)方法. 最近, 由于高通量和低成本測(cè)序方法等與培養(yǎng)無(wú)關(guān)的方法的出現(xiàn), 調(diào)查腸道微生物的能力大大提高. 76%屬于新的和未定型的糞便物種可由16s rRNA測(cè)序獲得. 全基因組鳥(niǎo)槍宏基因組學(xué)可以提供更可靠的微生物群組成和多樣性的估計(jì). 地球已知大概有55門(mén)細(xì)菌和13門(mén)古生菌, 但是由于進(jìn)化選擇作用, 人類(lèi)的腸道僅僅寄生12門(mén)細(xì)菌, 其中擬桿菌門(mén)()和厚壁菌門(mén)()為主, 古生菌門(mén)(), 史氏甲烷短桿菌、變形桿菌門(mén)、疣微菌門(mén)、放線菌門(mén)、梭桿菌門(mén)和藍(lán)細(xì)菌比例較少. 腸道微生物組是保護(hù)宿主健康的一道屏障, 在維持人體腸道正常生理功能中起重要作用, 具有輔助人體營(yíng)養(yǎng)、代謝、生長(zhǎng)、免疫、防御等功能.

正常情況下腸道菌群的種類(lèi)和數(shù)量保持相對(duì)平衡狀態(tài), 在某些條件下(如飲食、機(jī)體應(yīng)激、創(chuàng)傷、藥物等)腸道原生細(xì)菌減少、條件致病菌(如銅綠假單胞菌、變形桿菌、鮑曼不動(dòng)桿菌、肺炎克雷伯菌等)顯著增加成為優(yōu)勢(shì)菌群, 即為腸道菌群失調(diào). 腸道菌群失調(diào)與膿毒癥、艱難梭菌()感染、炎癥性腸病等疾病發(fā)生密切有關(guān).

1.2 腸黏膜屏障與屏障功能障礙 腸黏膜屏障主要由腸黏膜上皮細(xì)胞、上皮細(xì)胞間連接及黏液物質(zhì)組成, 具有分割腸腔內(nèi)物質(zhì)、防止病原微生物和腸道毒性物質(zhì)透過(guò)腸黏膜進(jìn)入血液循環(huán)及體內(nèi)其他組織器官的功能. 其中消化液、腸黏膜上皮細(xì)胞分泌物及正常細(xì)菌分泌的抑菌物質(zhì)構(gòu)成化學(xué)屏障. 消化液中的胃酸可以滅殺大部分來(lái)自口腔的病原菌, 而膽汁對(duì)病原菌增值具有一定的抑制作用, 腸道上皮細(xì)胞分泌黏液遍布整個(gè)腸道黏膜表層, 可有效阻斷病原菌與腸上皮結(jié)合. 腸道黏膜上皮細(xì)胞由橋粒、貼壁連接和緊密連接連接在一起構(gòu)成化學(xué)屏障, 防止細(xì)菌、內(nèi)毒素向宿主體循環(huán)擴(kuò)散. 腸道黏膜免疫系統(tǒng), 由淋巴結(jié)、固有層和上皮細(xì)胞組成免疫屏障, 構(gòu)成了保護(hù)腸道完整性的屏障.

正常情況下, 腸道屏障允許水、溶液和免疫調(diào)節(jié)因子通過(guò)細(xì)胞旁途徑進(jìn)入, 抑制腸腔內(nèi)物質(zhì)和微生物進(jìn)入. 當(dāng)人體的腸黏膜屏障在各種外因及內(nèi)因(燒傷、創(chuàng)傷、大手術(shù)、感染、休克)的影響下被破壞后, 腸黏膜通透性增加, 腸道內(nèi)的細(xì)菌及內(nèi)毒素突破腸黏膜屏障侵犯到腸外組織, 可引起腸源性感染.

1.3 腸道菌群對(duì)腸黏膜屏障功能的影響 腸道菌群對(duì)腸道屏障的影響體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面: (1)參與黏液層合成和降解的調(diào)節(jié). 腸道菌群的代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸在低濃度情況下刺激腸道黏液的分泌和黏蛋白2(Mucin2)的表達(dá), 而高濃度的短鏈脂肪酸作用則相反; (2)調(diào)節(jié)腸道抗菌活性物質(zhì)的形成. 抗菌肽是天然免疫的主要效應(yīng)物之一, 可由腸道菌群刺激潘氏細(xì)胞分泌產(chǎn)生; (3)對(duì)腸上皮細(xì)胞分化、發(fā)育、更新具有重要影響. Yu等應(yīng)用人源化的微生物菌群小鼠模型, 觀察早產(chǎn)兒腸道微生物群對(duì)腸上皮發(fā)育的影響, 發(fā)現(xiàn)腸道菌群參與腸上皮細(xì)胞分化和緊密連接的形成. 腸上皮細(xì)胞的更新對(duì)維持腸道屏障功能具有重要作用. 無(wú)菌動(dòng)物往往出現(xiàn)腸道上皮細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)異常, 糞菌移植后腸道上皮細(xì)胞可修復(fù)更新至正常水平.

2 腸道菌群失調(diào)對(duì)膿毒癥發(fā)生的影響

2.1 腸源性膿毒癥發(fā)生的常見(jiàn)原因 正常情況下腸道菌群的種類(lèi)和數(shù)量保持相對(duì)平衡狀態(tài), 在某些條件下(如飲食、機(jī)體應(yīng)激、創(chuàng)傷、藥物等)發(fā)生腸道菌群失調(diào), 即可引發(fā)腸源性感染. 據(jù)報(bào)道, 高脂飲食引起的腸道微生態(tài)失調(diào)和代謝內(nèi)毒素血癥, 質(zhì)子泵抑制劑(proton pump inhibitors, PPIS)具有增加肝硬化患者細(xì)菌感染和敗血癥的風(fēng)險(xiǎn). Baggs等調(diào)查在516家醫(yī)院病人在住院后90天內(nèi)發(fā)生敗血癥的風(fēng)險(xiǎn), 發(fā)現(xiàn)與未接觸抗生素患者相比, 接觸高風(fēng)險(xiǎn)抗生素者患敗血癥的風(fēng)險(xiǎn)高出65%.

2.2 腸源性膿毒癥的發(fā)生機(jī)制

2.2.1 腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致腸黏膜屏障功能的破壞: 腸道菌群通過(guò)減少腸道黏膜的通透性和增強(qiáng)黏膜上皮防御機(jī)制來(lái)形成黏膜屏障, 并與腸道形成共生關(guān)系, 在調(diào)控腸黏膜屏障功能中發(fā)揮重要的作用. 生理狀態(tài)下構(gòu)成生物屏障的菌群主要為乳酸桿菌和雙歧桿菌, 維持腸道無(wú)氧環(huán)境, 抑制需氧菌繁殖, 在病理狀態(tài)下隨著腸道環(huán)境的改變, 致病菌更易生存, 部分病原菌甚至可循環(huán)利用有益菌代謝產(chǎn)物進(jìn)一步繁殖擴(kuò)張, 引起腸源性感染, 破壞腸黏膜生物屏障功能. 致病菌的大量生長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致致病及其代謝產(chǎn)物可破壞腸道黏液層結(jié)構(gòu), 隨后黏附于腸上皮細(xì)胞, 可直接或間接誘導(dǎo)上皮細(xì)胞損傷. 同時(shí)腸道細(xì)菌可通過(guò)釋放毒性蛋白, 如大腸埃希菌可通過(guò)3型分泌系統(tǒng)將NleA蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi), 幽門(mén)螺旋桿菌則通過(guò)4型分泌系統(tǒng)將細(xì)胞毒性相關(guān)基因A編碼的效應(yīng)蛋白傳遞至胃腸上皮細(xì)胞, 下調(diào)蛋白酶激活受體-1等信號(hào)通路干擾緊密連接蛋白表達(dá)于定位, 最終導(dǎo)致腸上皮細(xì)胞緊密連接開(kāi)放, 從而引起腸黏膜通透性增加, 導(dǎo)致腸黏膜物理屏障功能下降, 致病菌更易穿過(guò)腸黏膜入侵.

2.2.2 腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致腸道黏膜免疫功能的破壞: 丁文婷等研究中表明腸道微生物對(duì)包括全身性固有免疫、特異性免疫等在內(nèi)的免疫反應(yīng)產(chǎn)生影響, 腸道黏膜免疫系統(tǒng)是機(jī)體免疫系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分, 具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與功能, 其免疫功能主要由腸黏膜相關(guān)淋巴組織參與完成. 腸道上皮表達(dá)的多種TOLL樣受體可通過(guò)細(xì)胞信號(hào)傳遞形成級(jí)聯(lián)反應(yīng)開(kāi)啟特異性免疫應(yīng)答, 而腸道菌群平衡被破壞后, 隨著致病菌的不斷繁殖會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)毒素, 內(nèi)毒素被吸收入血后可被TOLL樣受體識(shí)別并激活轉(zhuǎn)錄因子AP1、NF-κB信號(hào)通路, 進(jìn)而釋放γ-干擾素、腫瘤壞死因子-α及白介素等炎性因子, 進(jìn)一步加重黏膜屏障功能損傷.

2.2.3 腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致菌群移位, 腸道以外的組織發(fā)生感染: 正常生理?xiàng)l件下腸道菌群按一定的數(shù)量和比例寄居在腸道不同部位, 發(fā)揮著營(yíng)養(yǎng)、代謝、免疫等多重生理功能, 由于存在完整的腸道黏膜屏障可以使機(jī)體不受這些細(xì)菌的損害. 在藥物應(yīng)用及創(chuàng)傷、休克等狀態(tài)下, 可使腸道微環(huán)境改變導(dǎo)致菌群失調(diào), 致病菌不斷繁殖并離開(kāi)原定位橫向移位或向腸黏膜深部縱向轉(zhuǎn)移, 而一旦腸黏膜屏障完整性被破壞, 這些細(xì)菌及其毒素即可越過(guò)腸上皮細(xì)胞屏障大量入侵腸道以外的無(wú)菌組織和器官, 如腸系膜淋巴結(jié)、或由門(mén)靜脈入血并擴(kuò)散至肺、肝等遠(yuǎn)隔器官, 引發(fā)腸源性感染, 誘發(fā)一系列炎癥因子級(jí)聯(lián)反應(yīng)大爆發(fā)導(dǎo)致病情加重最終發(fā)展為膿毒癥, 危及患者生命. 在邵瑞飛等研究中表明腸道菌群和“腸-肺”軸參與了膿毒癥的發(fā)生與發(fā)展, 指出人體腸黏膜屏障功能發(fā)生障礙時(shí), 致病菌及其分解物可通過(guò)血液遷移到腸系膜淋巴結(jié)、肺等正常無(wú)菌組織, 引發(fā)全身炎性反應(yīng)及遠(yuǎn)隔器官受損, 最終誘發(fā)膿毒癥.

3 膿毒癥對(duì)腸道菌群的影響

3.1 膿毒癥進(jìn)一步加重腸道菌群失調(diào) 顏俊等指出胃腸道在膿毒癥早期即可受累并出現(xiàn)腸道菌群失調(diào)、腸黏膜屏障功能障礙, 其中菌群失調(diào)的發(fā)生率高達(dá)60%. 劉丹等研究指出膿毒癥患者會(huì)出現(xiàn)腸道菌群紊亂且具有三大特征, 表現(xiàn)為腸道菌群多樣性下降和菌群結(jié)構(gòu)改變、專(zhuān)性厭氧菌減少而兼性厭氧菌增多、有益共生菌減少而機(jī)會(huì)致病菌增多. 王玉等研究中也表明正常情況下人體腸道以擬桿菌門(mén)、梭桿菌門(mén)、放線菌門(mén)等專(zhuān)性厭氧菌占優(yōu), 膿毒癥時(shí)腸道缺氧環(huán)境遭受破壞, 促使兼性厭氧菌變形菌門(mén)在腸道不斷增值擴(kuò)張, 變形桿菌能干擾物質(zhì)代謝和免疫調(diào)節(jié), 是腸道微環(huán)境失調(diào)的標(biāo)志之一.

3.2 膿毒癥進(jìn)一步加重腸黏膜屏障功能破壞 膿毒癥的一個(gè)重要變化就是組織缺血缺氧, 腸道也不例外. 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn), 膿毒癥大鼠腸黏膜中毛細(xì)血管減少、黏膜破壞, 顯微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)上皮細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)破壞、 細(xì)胞骨架收縮、細(xì)胞連接中斷.

4 研究膿毒癥與腸道菌群相互關(guān)系的臨床意義

目前臨床認(rèn)為腸道菌群失衡、腸道屏障功能受損和細(xì)菌移位是誘發(fā)膿毒癥的重要原因, 而膿毒癥又會(huì)反向累及人體胃腸道, 進(jìn)一步促進(jìn)病情進(jìn)展, 因此近年來(lái)腸道菌群與膿毒癥相關(guān)研究主要集中在阻斷膿毒癥發(fā)生發(fā)展的治療環(huán)節(jié)上, 如糞菌移植、微生態(tài)免疫營(yíng)養(yǎng)劑及中醫(yī)中藥治療. 在李素彥等研究中發(fā)現(xiàn)通過(guò)糞菌移植后大鼠腸道菌群α多樣性指數(shù)顯著升高, 基于門(mén)、科屬水平的菌群結(jié)構(gòu)明顯逆轉(zhuǎn), 腫瘤壞死因子-α、白介素等炎性因子顯著降低, 研究指出糞菌移植能改善膿毒癥大鼠腸道菌群失衡, 同時(shí)激活膽堿能抗炎通路發(fā)揮抗炎作用. 謝潔等研究發(fā)現(xiàn)膿毒癥腸功能障礙患者使用微生態(tài)免疫營(yíng)養(yǎng)劑有利于減輕患者全身炎癥反應(yīng)、調(diào)節(jié)其腸道菌群、改善機(jī)體免疫功能. 此外中醫(yī)中藥在阻斷膿毒癥方面獲得了一定的進(jìn)展, 李銀平等認(rèn)為腸道是膿毒癥多器官功能障礙綜合征的啟動(dòng)器官, 腸道屏障功能的破壞造成了腸源性?xún)?nèi)毒素血癥和菌群移位, 并將"菌毒并治"和"三證三法"進(jìn)行了完善和豐富, 總結(jié)出了"菌毒炎并治"和"四證四法"辨證治療原則. 劉錦等研究中發(fā)現(xiàn)采用溫下健脾法治療膿毒癥后腸道菌群物種豐度和腸道sIgA表達(dá)水平獲得升高, 研究指出溫下健脾法可調(diào)節(jié)膿毒癥胃腸功能障礙的腸道菌群及腸道免疫異常, 從而發(fā)揮治療膿毒癥的作用.

5 展望

膿毒癥與腸道菌群間的相互關(guān)系至今仍未完全闡明, 且缺乏臨床大樣本數(shù)據(jù)支撐, 需要獲得臨床更多的關(guān)注, 為臨床控制膿毒癥的發(fā)生發(fā)展提供預(yù)防與治療策略.